彩色全息光学元件及其制作方法、制作系统以及校正方法与流程

本发明涉及全息光学元件，特别是涉及一种彩色全息光学元件及其制作方法、制作系统以及校正方法。

背景技术：

1、全息光学元件(英文：holographic optical elements，简称hoe)作为一种体全息光栅(英文：volume holographic gratings，简称vhg)，其是通过相干光束产生干涉条纹，并在感光材料中记录下来明暗相间的干涉条纹的过程，而根据不同记录波前在感光介质中产生的干涉条纹形态可以分为：平面波透射条纹、球面波透射条纹、平面波反射条纹以及球面波反射条纹。

2、目前，在激光束扫描(英文：laser beam scanning)的近眼显示项目中，通常需要搭配彩色hoe作为入眼结合器以进行虚拟信息的显示。但在制作彩色hoe的过程中因记录波长与再现波长无法做到一致而必然会引入再现物光焦点偏移的问题，这造成彩色hoe势必存在色差问题。例如，现有的hoe通常采用如图1a所示的记录光路进行制作，其中记录光(包括参考光和信号光)的波长为λr，而现有的hoe在使用时的再现光路如图1b所示，其中再现光(包括探测光和物光)的波长为λp。根据hoe的图像再现原理可知：当λp＝λr时，物光聚焦于点o；当λp≠λr时，物光聚焦于点o’。

3、然而，由于现有的hoe在制作时所采用的光源与现有的hoe在使用时所采用的图像源通常是不同的(如hoe制作时的光源一般为固体激光器，hoe使用时的光源一般为半导体激光器，两种激光器的波长存在固有偏差)，使得记录光的波长与再现光的波长无法做到一致，即λp≠λr；因此，现有的hoe在图像再现过程中存在物光焦点位置与信号光焦点位置不重合的现象，也就是说，现有的hoe在进行图像再现时必然会引入如图1b所示的焦点偏移(包括横向焦点偏移和轴向离焦)问题。特别是对于彩色hoe，由于不同颜色(如红r、绿g、蓝b)的记录光波长λr与对应颜色的再现光波长λp不仅不相同，而且波长差异(λp-λr)也不一致，因此彩色hoe在进行图像再现过程中出现了不同程度的焦点偏移，例如，由如图2所示的以g物光焦平面作为横截面示出的光斑分布可知：rgb物光之间存在横向焦点偏移(光斑不重叠)和轴向离焦(光斑大小不一致)的色差问题，难以获得较高质量的图像再现效果。

技术实现思路

1、本发明的一个优势在于提供一种彩色全息光学元件及其制作方法、制作系统以及校正方法，其能够解决波长不一致而引入的焦点偏移问题，有助于提高再现图像质量。

2、本发明的另一个优势在于提供一种彩色全息光学元件及其制作方法、制作系统以及校正方法，其中，在本发明的一个实施例中，所述彩色全息光学元件的制作方法能够通过调整记录光的入射角度来校正因焦点偏移引入的色差，以消除彩色全息光学元件的色差。

3、本发明的另一个优势在于提供一种彩色全息光学元件及其制作方法、制作系统以及校正方法，其中，在本发明的一个实施例中，所述彩色全息光学元件的制作方法能够通过调整记录光的中心光线入射角度来校正因横向焦点偏移而引入的色差，并通过调整记录光的边缘光线入射角度来校正因轴向离焦而引入的色差，以彻底解决色差问题。

4、本发明的另一个优势在于提供一种彩色全息光学元件及其制作方法、制作系统以及校正方法，其中为了达到上述目的，在本发明中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本发明成功和有效地提供一解决方案，不只提供一种简单的彩色全息光学元件及其制作方法、制作系统以及校正方法，同时还增加了所述彩色全息光学元件及其制作方法、制作系统以及校正方法的实用性和可靠性。

5、为了实现本发明的上述至少一优势或其他优点和目的，本发明提供了一种彩色全息光学元件的校正方法，包括步骤：

6、根据彩色记录光的波长和彩色再现光的波长，分别调整各种颜色记录光的中心光线入射角度，以校正彩色全息光学元件在图像再现过程中的横向焦点偏移；和

7、根据彩色记录光的波长和彩色再现光的波长，分别调整各种颜色记录光的边缘光线入射角度，以校正彩色全息光学元件在图像再现过程中的轴向离焦。

8、根据本技术的一个实施例，所述根据彩色记录光的波长和彩色再现光的波长，分别调整各种颜色记录光的中心光线入射角度，以校正彩色全息光学元件在图像再现过程中的横向焦点偏移的步骤，包括步骤：

9、基于rgb参考光的波长和rgb探测光的波长，通过体全息光栅的k矢量方程分别计算出rgb参考光或rgb信号光的中心光线目标角度；和

10、分别调整rgb参考光或rgb信号光的中心光线入射角度以等于对应颜色的中心光线目标角度，使得沿同一角度入射的rgb探测光在经过彩色全息光学元件衍射形成的rgb物光沿着同一轴线聚焦。

11、根据本技术的一个实施例，所述根据彩色记录光的波长和彩色再现光的波长，分别调整各种颜色记录光的边缘光线入射角度，以校正彩色全息光学元件在图像再现过程中的轴向离焦的步骤，包括步骤：

12、基于rgb参考光的波长和rgb探测光的波长，通过体全息光栅的k矢量方程分别计算出rgb参考光或rgb信号光的边缘光线目标角度；和

13、分别调整rgb参考光或rgb信号光的边缘光线入射角度以等于对应颜色的边缘光线目标角度，使得沿同一角度入射的rgb探测光在经过彩色全息光学元件衍射形成的rgb物光在同一焦平面内聚焦。

14、根据本技术的另一方面，本技术进一步提供了一种彩色全息光学元件的制作系统，包括：

15、光源投射器，用于投射彩色记录光；

16、分光元件，所述分光元件被设置于所述光源投射器的投射光路中，用于将来自所述光源投射器的彩色记录光分束成沿参考光光路传播的彩色参考光和沿信号光光路传播的彩色信号光；

17、参考光调制组件，所述参考光调制组件被设置于所述分光元件的参考光光路中，用于调制来自所述分光元件的彩色参考光，以使调制后的彩色参考光向后入射至hoe基材；以及

18、信号光调制组件，所述信号光调制组件被设置于所述分光元件的信号光光路中，用于调制来自所述分光元件的彩色信号光，以使调制后的彩色信号光向前入射至该hoe基材；

19、其中所述参考光调制组件或所述信号光调制组件用于分别调整该彩色参考光或该彩色信号光中各种颜色光的中心光线入射角度和边缘光线入射角度以等于对应颜色的中心光线目标角度和边缘光线目标角度，使得被调制后的彩色参考光和被调制后的彩色信号光在该hoe基材上进行干涉记录以形成彩色全息光学元件。

20、根据本技术的一个实施例，所述参考光调制组件位于所述分光元件的反射侧，用于根据rgb参考光的波长和rgb再现光的波长，分别调整各种颜色参考光的中心光线入射角度，以校正彩色全息光学元件在图像再现过程中的横向焦点偏移；并分别调整各种颜色参考光的边缘光线入射角度，以校正彩色全息光学元件在图像再现过程中的轴向离焦；所述信号光调制组件为位于所述分光元件的透射侧的汇聚透镜，用于会聚来自所述分光元件的rgb信号光，以使该rgb信号光成像于该hoe基材的前方。

21、根据本技术的一个实施例，所述参考光调制组件包括依次排布于该参考光光路的分色组件、边缘调整组件以及中心调整组件；所述分色组件用于将rgb参考光分束成r参考光、g参考光以及b参考光；所述边缘调整组件用于分别调整该r参考光、该g参考光以及该b参考光的边缘光线入射角度以等于对应颜色的边缘光线目标角度；所述中心调整组件用于分别调整该r参考光、该g参考光以及该b参考光的中心光线入射角度以等于对应颜色的中心光线目标角度。

22、根据本技术的一个实施例，所述分色组件包括用于反射蓝光并透射红光和绿光的分蓝光元件、用于反射绿光并透射红光的分绿光元件以及用于反射红光的分红光元件，所述分蓝光元件、所述分绿光元件以及所述分红光元件为依次排布于该参考光光路的选择性透过膜。

23、根据本技术的一个实施例，所述边缘调整组件包括位于所述分红光元件的反射侧的红光边缘调整元件和位于所述分绿光元件的反射侧的绿光边缘调整元件，所述红光边缘调整元件用于调制来自所述分红光元件的r参考光，以使该r参考光的边缘光线入射角度在被调整为对应颜色的边缘光线目标角度后传播至所述中心调整组件；所述绿光边缘调整元件用于调制来自所述分绿光元件的g参考光，以使该g参考光的边缘光线入射角度在被调整为对应颜色的边缘光线目标角度后传播至所述中心调整组件。

24、根据本技术的一个实施例，所述红光边缘调整元件和所述绿光边缘调整元件为正透镜或负透镜。

25、根据本技术的一个实施例，所述中心调整组件包括红光中心调整元件、绿光中心调整元件以及蓝光中心调整元件，所述红光中心调整元件用于调制来自所述红光边缘调整元件的r参考光，以使该r参考光的中心光线入射角度在被调整为对应颜色的中心光线目标角度后入射至该hoe基材；所述绿光中心调整元件用于调制来自所述绿光边缘调整元件的g参考光，以使该g参考光的中心光线入射角度在被调整为对应颜色的中心光线目标角度后入射至该hoe基材；所述蓝光中心调整元件用于调制来自所述分蓝光元件的b参考光，以使该b参考光的中心光线入射角度在被调整为对应颜色的中心光线目标角度后入射至该hoe基材。

26、根据本技术的一个实施例，所述红光中心调整元件、所述绿光中心调整元件以及所述蓝光中心调整元件为平面反射镜。

27、根据本技术的一个实施例，所述参考光调制组件为位于所述分光元件的反射侧的反射元件，用于反射来自所述分光元件的rgb参考光，以使该rgb参考光入射至该hoe基材的前表面；所述信号光调制组件位于所述分光元件的透射侧，用于根据rgb信号光的波长和rgb再现光的波长，分别调整各种颜色信号光的中心光线入射角度，以校正彩色全息光学元件在图像再现过程中的横向焦点偏移；并分别调整各种颜色信号光的边缘光线入射角度，以校正彩色全息光学元件在图像再现过程中的轴向离焦。

28、根据本技术的一个实施例，所述信号光调制组件包括依次排布于该信号光光路的分色组件、边缘调整组件、中心调整组件以及4f透镜系统；所述分色组件用于将rgb信号光分束成r信号光、g信号光以及b信号光；所述边缘调整组件用于分别调整该r信号光、该g信号光以及该b信号光的边缘光线入射角度以等于对应颜色的边缘光线目标角度；所述中心调整组件用于分别调整该r信号光、该g信号光以及该b信号光的中心光线入射角度以等于对应颜色的中心光线目标角度；所述4f透镜系统用于调制经由所述中心调整组件调整后的rgb信号光，以使调整后的rgb信号光成像于该hoe基材的前方。

29、根据本技术的另一方面，本技术进一步提供了一种彩色全息光学元件的制作方法，包括步骤：

30、基于彩色记录光的波长和彩色再现光的波长，通过体全息光栅的k矢量方程，分别计算彩色记录光中各种颜色的参考光或信号光的中心光线目标角度和边缘光线目标角度；

31、调制彩色参考光和彩色信号光以入射至hoe基材，其中被调制后的彩色参考光或彩色信号光的中线光线入射角度和边缘光线入射角度分别等于对应颜色的中心光线目标角度和边缘光线目标角度；以及

32、通过该hoe基材记录该彩色参考光和该彩色信号光进行干涉的信息，以形成彩色全息光学元件。

33、根据本技术的另一方面，本技术进一步提供了一种彩色全息光学元件，所述彩色全息光学元件是通过上述任一所述的彩色全息光学元件的制作系统制备而成的。